具有点到点聚焦的扫描装置制造方法及图纸

本公开涉及具有点到点聚焦的扫描装置。一种以每秒至少一千个对象点(P、Px、P1、P2、P3)的测量速率来测量对象表面的方法和光电测量装置(1)。使用处于发射射束路径(9)中的高速自动聚焦光学模块，所述高速自动聚焦光学模块包括具有1ms以下的响应时间的至少一个可变焦距透镜(2、2a)或可重构光学相位板，在单个对象点测量周期内进行测量射束的实时焦点调整。量周期内进行测量射束的实时焦点调整。量周期内进行测量射束的实时焦点调整。

【技术实现步骤摘要】
具有点到点聚焦的扫描装置


[0001]本专利技术涉及光电扫描装置和方法，以及用于坐标位置确定的方法。

技术介绍

[0002]诸如激光跟踪仪、扫描全站仪(例如莱卡MS60全站仪)或激光扫描仪之类的光电扫描装置被用于工业测量、大地测量或计量测量，例如以用于在表面检查的背景下对诸如车身或建筑物之类的部件的点进行坐标位置确定，或用于对移动的机器零件进行连续位置监测。这种扫描仪器被设计成用于目标点的连续坐标位置确定。特别地，激光跟踪仪已经成为各种行业中的计量设备的重要部件，以用于测量小型到大型零件并提供用于大规模检查和组装应用的解决方案。
[0003]为了测量对象点，例如借助于用于角度测量的传感器(该传感器被分配到系统的偏转镜或瞄准单元)来确定测量射束的发射方向和相应的接收方向。此外，利用射束检测(例如借助于如EP3339901B中公开的直接(脉冲)飞行时间、间接(相位)飞行时间、相位差测量/干涉测量法或借助于Fizeau原理)来确定从测量设备到目标点的距离。目标点的位置坐标是基于发射方向以及相应的接收方向和距离来确定的。换句话说，3D坐标的确定是基于测量从扫描装置到自然或人造对象的目标表面的直接距离，以及通过确定目标所对准的水平角或方位角以及竖直角或仰角。
[0004]因此，密集的坐标点测量或3D扫描是一种用于在几分钟或几秒内产生对象的数百万个空间测量点(例如以每秒1000、100000或甚至超过1000000个点的测量速率)的非常有效的技术。利用现代高速扫描仪的测量项目会产生所谓的3D点云，该3D点云具有例如数亿或数十亿对象点及以上的基数。典型的测量任务是记录对象或其表面，例如工业工件(如金属零件)、工业设备、房屋立面或历史建筑物，以及事故现场和犯罪现场。正如所述，具有扫描功能的典型测绘设备是激光跟踪仪或激光扫描仪，该激光跟踪仪或激光扫描仪用于测量或创建表面的3D坐标。使计量装置的位置和定向参考局部或全局参考坐标系还使得能够将3D坐标确定为局部或全局3D坐标。
[0005]为此，它们必须能够在表面上引导距离测量装置的测量射束，并且在该过程中同时检测相对于测量点的方向和距离。由于激光射束通常以连续的方式在对象表面上扫掠，所以被测点本身是许多激光照射(shot)的累积的结果，这取决于测距仪单元的构造。激光射束在目标上的移动通常不是一种走走停停的移动，而是一种平滑的移动。根据针对每个点的距离和与距离相关的方向信息，借助于数据处理生成3D点云。除了测量自然的漫散射表面之外，诸如激光跟踪仪或基于经纬仪的机器人多站之类的一些装置还被设计用于测量并可能连续跟踪回射目标点(协作反射对象)。在这种情况下，目标点可以由回射单元(例如立方棱镜)来表示，该回射单元被测量装置或测量设备的射束源产生的光学测量射束(特别是激光射束)当做目标。激光射束以平行的方式被反射回到测量设备，该反射射束由设备的检测装置检测。
[0006]因此，在基本结构方面，这种地面或工业扫描仪被设计为使用通常基于光电和激
光的距离测量装置来检测到作为测量点的对象点的距离。在这种情况下，同样存在的方向偏转单元以这样的方式被设计，即距离测量装置的测量射束在至少两个独立的空间方向上被偏转，由此可以记录空间测量区域。偏转单元可以以动镜的形式来实现，或另选地，还可以通过适合于光辐射的可控角偏转的其他元件(例如，可旋转棱镜、可移动光波导、可变形光学部件等)来实现。通常距离和角度是确定的，也就是说，目标是在球面坐标中测量的，也可以将该球面坐标转变成笛卡尔坐标以用于显示和进一步处理。距离测量装置例如可以根据飞行时间(TOF)、相位、波形数字转换器(WFD)、频率调制连续波(FMCW)或干涉测量的原理来实施。对于快速和精确的扫描仪，尤其需要短测量时间以及高测量精度，例如在毫米范围内或低于微米范围内的距离精度，其中单个点的测量时间在亚微秒至毫秒范围内。在这种情况下，测量区域的范围是从几厘米达到几千米。
[0007]在这种情况下，空间测量分辨率是特别重要的。它确定仍然可以识别的细节内容、扫描过程的持续时间以及在该过程中获得的数据量。
[0008]正如所述，距离测量的抖动和精度可以非常精确，例如分别为10μm和60μm。然而，在根据现有技术的装置中，测量射束在漫散射表面上的激光光斑相当大。在出射孔处的射束直径通常为4mm(1/e2)，并且随着距离的增加而增加。因此，被照射表面处的光斑直径为4mm或甚至更大，因此横向空间分辨率低(尤其与产生几微米的测距仪的纵向分辨率相比)。取决于发射或出射射束的波长，该发射或出射射束的直径大部分被设计为在几毫米的范围内以保持射束发散度小，否则对于准直射束，瑞利(Rayleigh)范围将会是几米，并且在超出瑞利范围的距离处的光斑将迅速变大。例如，对于1550nm的激光波长和0.5mm的出射孔处的发射直径，瑞利范围仅为0.127m，并且发散角为4.0mrad。在10m距离处，射束直径增加40mm，这么大是不利的。
[0009]总之，本领域已知的测量装置和方法相对于(横向)空间测量分辨率而言是不够的。

技术实现思路

[0010]因此，本专利技术的目的是改善光电测量装置的空间测量分辨率和相应的测量方法。
[0011]本专利技术涉及一种光电测量装置，例如激光扫描仪或激光跟踪仪，该光电测量装置用于通过以每秒至少一千个、通常为十万个对象点的测量速率测量对象表面来获取点云。该光电装置具有基部和瞄准单元，该瞄准单元可相对于基部旋转，优选地绕彼此正交的两个轴线旋转，并且限定用于瞄准待测量对象的瞄准轴线。该装置还包括光源，优选地是所谓的衍射限制点光源、脉冲和/或单模式光源，以用于生成测量射束。测量射束可以由出射孔在瞄准轴线的方向上朝向待测量的对象表面上的点作为自由射束来发射，其中发射测量射束路径在光源与出射孔之间。
[0012]该装置还包括高速自动聚焦光学模块，该高速自动聚焦光学模块处于发射射束路径中，被设计用于在单个对象点测量周期内进行实时测量焦点调整，并且包括具有1ms以下的响应时间、特别是至多10微秒的响应时间的可变焦距透镜或可重构光学相位板。
[0013]换句话说，在自动聚焦光学装置内使用这种超快可变焦距透镜或可重构光学相位板，测量射束的焦点在(远)小于毫秒的时间内是即时自动可变的，其中优选地，实时聚焦是针对相应对象点的焦点的单独调整(individual adaption)。对象表面的每个单个点可以
利用特定的焦点设定来测量，因为焦点可以在测量单个对象点所需的时间跨度(即，单个对象点测量周期)内被调整。这种点到点聚焦还包括当在对象表面上沿着线移动时对焦点进行连续受控地调整。
[0014]作为优选的选择，自动聚焦光学模块的焦度范围按以下方式调整为装置的标称或预定义最大测量范围，即，通过至少一个可变焦距透镜的焦距的变化，在贯穿扫描仪器的整个测量范围实现所述实时聚焦。自动聚焦光学器件以及相应的可变焦距透镜或可重构光学相位板被设计用于在装置的完整工作范围(特别地包括近范围)内进行射束焦点的连续且无级的自动调整。近范本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过以每秒至少一千个对象点的测量速率来扫描测量对象表面以获取点云的光电测量装置(1)，所述光电测量装置特别是激光扫描仪或激光跟踪仪，所述光电测量装置具有：基部(90)和瞄准单元(91)，所述瞄准单元限定用于瞄准待测量对象(100)的瞄准轴线(94)，所述瞄准单元(91)能够相对于所述基部(90)旋转，光源(4、4a)，所述光源用于生成测量射束(10)，出射孔(3)，所述出射孔用于在所述瞄准轴线(94)的方向上朝向所述待测量对象的表面上的点(P、Px、P1、P2、P3)发射作为自由射束并具有内部发射测量射束路径(9)的所述测量射束(10)，其特征在于，高速自动聚焦光学模块(7)，所述高速自动聚焦光学模块处于所述内部发射测量射束路径(9)中，所述高速自动聚焦光学模块(7)被设计用于在单个对象点测量周期内进行实时测量焦点调整，并且包括至少一个可变焦距透镜(2、2a)或可重构光学相位板，所述至少一个可变焦距透镜(2、2a)或所述可重构光学相位板具有1ms以下、特别是10us以下的响应时间。2.根据权利要求1所述的光电测量装置(1)，其特征在于，所述实时焦点调整是测量射束焦点(f1、f2、f3、F1
‑
F3)针对相应对象点(P、Px、P1、P2、P3)的单独调整。3.根据权利要求1或2所述的光电测量装置(1)，其特征在于，所述高速自动聚焦光学模块(7)包括至少一个准直透镜，而所述可变焦距透镜(2、2a)或所述可重构光学相位板位于所述准直透镜与所述光源(4、4a)的近场之间，特别是所述可变焦距透镜(2、2a)或所述可重构光学相位板正好处于所述光源(4、4a)的所述近场之后。4.根据前述权利要求中任一项所述的光电测量装置(1)，其特征在于，所述高速自动聚焦光学模块(7)的焦度范围按照以下方式被调整到所述装置(1)的预定义最大测量范围，即通过所述焦距的变化能够贯穿整个测量范围实现所述实时焦点调整，特别地，
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所述测量范围包括距离所述装置(1)的所述出射孔(3)低至1m的近范围(C)，或
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所述测量范围在1m至20m之间或1m至1000m之间。5.根据前述权利要求中任一项所述的光电测量装置(1)，其特征在于，所述可变焦距透镜(2、2a)或所述可重构光学相位板具有至少从0m
‑1直至10m
‑1或从
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6m
‑1直至6m
‑1或从
‑
3m
‑1直至10m
‑1的焦度范围。6.根据前述权利要求中任一项所述的光电测量装置(1)，其特征在于，所述测量射束(10)在所述出射孔处的直径(A)至少为6mm，特别是至少为10mm。7.根据前述权利要求中任一项所述的光电测量装置(1)，
其特征在于，所述测量射束(10)在所述出射孔处的直径(A)与所述测量射束(10)在所述可变焦距透镜或所述可重构光学相位板的孔处的直径(L)的比率至少为2:1，优选是6:1。8.根据前述权利要求中任一项所述的光电测量装置(1)，其特征在于，所述可变焦距透镜(2、2a)或所述可重构光学相位板的直径(L)是2mm，特别是最多6mm。9.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：发明
国别省市：